CN113885083B - 一种井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法，该方法将接收电极M和N固定布置在掘进面上，接收电极M和N的水平连线的垂直平分线为掘进面竖向中线，发射电极A和B从A₁B₁处沿巷道底板中线向掘进面方向移动，形成依次位于A₁B₁，A₂B₂，…，A_iB_i…，A_nB_n位置点的偶极移动源；发射电极A和B在每个位置点发射电流一次，接收电极M和N对应测量电压一次，进行偶极动源超前探测。当掘进面前方存在异常体时，接收电极将测量到超过噪声电平的信号，据此即可在施工现场快速判断出掘进面前方的异常体，提高井下直流电法超前探测的时效性，及时为井下安全、快速掘进施工提供资料。本发明提高了井下直流超前探测的准确性，是一种利用稳定电流场对称性自显异常的快速探测方法。

Description

一种井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法

技术领域

本发明属于电和电磁法勘探领域，涉及一种井下直流超前探测技术，具体涉及一种井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法。

背景技术

井下直流电法超前探测，是我国煤矿井下探测掘进工作面前方异常体的主要方法之一。现行的直流超前探测方法，通常采用称为三极法的单极发射—偶极接收装置，将发射电极固定布置在掘进工作面上或附近、接收电极向远离掘进面方向移动。此后，又有了建立在三极法基础上改进的多单极—偶极组合法。由于直流电场近距作用的性质，在发射源激励下异常体的响应，总是通过场从异常体周围向外传递，强度随着离开异常体距离的增大而减弱。将发射电极固定在掘进面附近、接收电极向掘进工作面相反方向移动的方法，获得的异常不仅比较微弱，而且掘进面后方的异常体还会对超前探测形成干扰，造成误判。

发明内容

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法，以将接收电极固定布置在掘进工作面上尽可能地靠近前方异常体，通过发射电极向掘进工作面方向移动实现超前探测。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法，该方法将接收电极M和N固定布置在掘进面上，接收电极M和N的水平连线的垂直平分线为掘进面竖向中线，发射电极A和B从A₁和B₁位置处沿巷道底板中线向掘进面方向移动，形成依次位于A₁和B₁位置点，A₂和B₂位置点，…，A_i和B_i位置点…，A_n和B_n位置点的偶极移动源；发射电极A和B在每个位置点发射电流一次，接收电极M和N对应测量电压一次，进行偶极动源超前探测；

超前探测最大探测距离估算公式为：

上式中，O′₁O是发射电极距AB中点O′₁到掘进面底边中点O的距离，MN是接收电极距，I_ABmax为最大发射电流，为接收电极观测到的噪声电平，ρ为掘进面前方岩层的电阻率。

本发明还包括如下技术特征：

可选的，所述A₁和B₁位置点，A₂和B₂位置点，...，A_i和B_i位置点...，A_n和B_n位置点之间的间隔越小，探测的分辨率越高；发射电极A和B从A₁和B₁位置点处沿巷道底板中线以分辨率要求的间隔向掘进面方向移动，电流场透入掘进工作面前方的深度由浅到深。

可选的，与发射电极A和B位于A₁和B₁位置点对应的测深点D_i和视电阻率ρ_i ^a的公式是：

D_i≈O′₁O-O′_iO(i＝1,2,...,n) (2a)

上式中的O′₁O由式(1a)确定，O′_iO是发射电极距AB中点O′_i到O的距离；

上式中的是A_i到M距离、/>是B_i到M的距离、/>是A_i到N的距离、/>是B_i到N的距离，其中O″O是接收电极距MN中点O″到O的距离，/>是发射电极A和B位于A₁和B₁位置点的发射电流，/>是与/>对应的观测电压。

可选的，探测结束后，将实测数据中的误差记录作为异常解释的判别标准；

满足下式(3)则将实测数据解释为异常：

Mean±S.D.表示平均数±标准差，A_iM、B_iM、A_iN和B_iN采用公式(2)中的定义。

可选的，当掘进面前方最大探测距离范围内无异常体时，由于电极布置的对称性导致电流场的对称性，接收电极M和N观测到的是噪声电平；而当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体时，电流场失去对称性，当接收电极观测到3～5倍噪声电平的电压信号，即可判定掘进面前方存在异常体。

可选的，当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体，但电流场尚未接触到该异常体，接收电极M和N观测到的是噪声电平；随着发射电极A和B向掘进面方向移动，电流场与异常体接触并被扰动，当扰动传递到掘进面上时，接收电极观测到3～5倍噪声电平的电压信号，即可判定异常体的存在。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(1)根据直流电场近距作用的性质，将接收电极固定布置在掘进工作面上，最大限度地接近掘进面前方异常体在发射源激励下的响应信号；发射电极向掘进面方向移动、电流场透入掘进面前方的深度由浅到深的观测方式，信噪比随探测距离的增大而增大。

(2)电极布置的几何对称关系，使得只有当掘进面前方存在异常体时，接收电极才会收到超出噪声的信号。根据信号大于3～5倍噪声电平的标准，可以在施工现场快速判断前方异常，提高了超前探测的实时性。

(3)给出的最大探测距离估算公式，建立了电极布置的几何空间、发射电流、岩层电阻率以及环境噪声电平等各项要素之间的关系，为井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测施工参数的确定提供了定量的依据。

(4)给出的与发射电极每移动一次所对应的测深点和视电阻率计算公式，是针对本发明设计的算法，具有专门性；根据实测数据误差记录作为异常响应的判别标准，为数据解释的可靠性提供了更多的保证。

(5)本发明采用轴向偶极发射，比单极发射异常自显式探测对巷道长度的要求低，所需设备也更轻便；接收采用偶极形式，水平对称地固定布置在掘进工作面上，当掘进工作面前方的异常体打破原有的对称场，仅从电压信号的有无可即时判断异常体是否存在，提高了探测方法的实时性、时效性。

附图说明

图1为本发明施工布置示意图。

图2为本发明超前探测测深点示意图。

图3为实验结果图。

图中：1–掘进面；2–巷道；3–异常体；4–大地。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。

具体实施方式

为了进一步提高井下直流超前探测的准确性，本发明的轴向偶极动源异常自显式超前探测方法，接收电极M和N水平对称地固定布置在掘进工作面上，发射电极A和B沿巷道底板中线布置，从距离掘进面A₁B₁处沿巷道底板中线并按分辨率要求的间隔，向掘进面方向移动形成一系列的轴向偶极动源A_iB_i。当掘进面前方探测距离内没有异常体时，电极MN接收到的是噪声电平当掘进面前方有异常体存在时，电流场会失去原有的对称性，异常体响应信号将被加载到接收电极MN上，由此可在施工现场快速判断掘进面前方的异常体，及时为井下安全、快速掘进施工提供资料。本发明给出了最大探测距离的估算公式，与A_iB_i对应的各测深点以及视电阻率计算公式，最大探测距离估算公式中噪声电平的获取方法，探测过程中信噪比的测定方法，利用实测数据中误差记录判别异常的公式等。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例提供一种井下直流轴向偶极动源超前探测方法，分别如图1所示，该方法将接收电极M和N固定布置在掘进面上，接收电极M和N的水平连线的垂直平分线为掘进面竖向中线，尽可能地接近掘进工作面前方地质异常体、避免巷道顶底板、侧帮附近异常体的影响；发射电极A和B从A₁B₁处沿巷道底板中线以分辨率要求的间隔向掘进面方向移动，信噪比随探测距离的增加而增加，形成依次位于A₁和B₁位置点，A₂和B₂位置点，...，A_i和B_i位置点…，A_n和B_n位置点的偶极移动源；发射电极A和B在每个位置点发射电流一次，接收电极M和N对应测量电压一次，进行偶极动源超前探测；当忽略巷道的影响时，发射电极初始位置与超前探测最大探测距离位置相对掘进面对称，从而发射电极初始位置与掘进面底边中点O间的距离为最大探测距离；

超前探测最大探测距离估算公式为：

上式中，O′₁O是发射电极距AB中点O′₁到掘进面底边中点O的距离，MN是接收电极距，I_ABmax为最大发射电流，为接收电极观测到的噪声电平，ρ为掘进面前方岩层的电阻率。

A₁B₁，A₂B₂，…，A_iB_i，…，A_nB_n之间的间隔越小，探测的分辨率越高；发射电极A和B从A₁B₁处沿巷道底板中线以分辨率要求的间隔向掘进面方向移动，电流场透入掘进工作面前方的深度由浅到深。

具体的，探测开始前，当发射机没有发送电流时，通过接收机空采测定噪声电平代入公式(1)中估算最大探测距离。

在上述探测过程中，对于每一个发射电极A_i所在位置，通过发射机未发送和发送电流时接收机的空采和实采，测定噪声电平和接收电压/>根据信噪比决定是否进行重复观测、对掘进面前方是否存在异常体现场做出初步的判断。当井下作业时间允许时，不要省略此步骤。

由公式(2)计算发射电极A_i所对应的测深点和视电阻率，判断掘进面前方异常体是低阻体还是高阻体。

与A_iB_i对应的测深点D_i和视电阻率的公式是：

D_i≈O′₁O-O′_iO(i＝1,2,…,n) (2a)

上式中的O′₁O由式(1a)确定，O′_iO是发射电极距AB中点O′_i到O的距离；

上式中的是A_i到M距离、/>是B_i到M的距离、/>是A_i到N的距离、/>是B_i到N的距离，其中O″O是接收电极距MN中点O″到O的距离，/>是A_iB_i的发射电流，/>是与/>对应的观测电压。

探测结束后，将实测数据中的误差记录作为异常解释的判别标准；

满足下式(3)则将实测数据解释为异常：

Mean±S.D.表示平均数±标准差，A_iM、B_iM、A_iN和B_iN采用公式(2)中的定义。

当掘进面前方最大探测距离范围内无异常体时，由于电极布置的对称性导致电流场的对称性，接收电极M和N观测到的是噪声电平；而当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体时，电流场失去对称性，当接收电极观测到3～5倍噪声电平的电压信号，即可判定掘进面前方存在异常体。

当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体，但电流场尚未接触到该异常体，接收电极M和N观测到的是噪声电平；随着发射电极A_iB_i向掘进面方向移动，电流场与异常体接触并被扰动，当扰动传递到掘进面上时，接收电极观测到3～5倍噪声电平的电压信号，即可判定异常体的存在。

实验验证：

为了验证公式的正确性、有效性，利用公式进行了数值模拟计算。假定在巷道底板下20m处有1个半径5m的高阻体，其电阻率为1000Ω.m，围岩的电阻率为100Ω.m，采用轴向偶极发射、偶极MN接收装置，利用公式(2b)进行计算。图3是相应的计算结果，图3中横坐标为距离，单位为m，纵坐标为视电阻率，单位为Ω.m。由该图可见，经公式计算出来的异常最大值的位置与实际模型位置对应，说明公式是有效的、可用的。

Claims (4)

1.一种井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法，其特征在于，该方法将接收电极M和N固定布置在掘进面上，接收电极M和N的水平连线的垂直平分线为掘进面竖向中线，发射电极A和B从A₁和B₁位置处沿巷道底板中线向掘进面方向移动，形成依次位于A₁和B₁位置点，A₂和B₂位置点，...，A_i和B_i位置点...，A_n和B_n位置点的偶极移动源；发射电极A和B在每个位置点发射电流一次，接收电极M和N对应测量电压一次，进行偶极动源超前探测；

超前探测最大探测距离估算公式为：

上式中，O′₁O是发射电极距AB中点O′₁到掘进面底边中点O的距离，MN是接收电极距，I_ABmax为最大发射电流，为接收电极观测到的噪声电平，ρ为掘进面前方岩层的电阻率；

与发射电极A和B位于A₁和B₁位置点对应的测深点D_i和视电阻率的公式是：

D_i≈O′₁O-O′_iO，i＝1，2，...，n (2a)

上式中的O′₁O由式(1)确定，O′_iO是发射电极距AB中点O′_i到O的距离；

上式中的是A_i到M距离、/>是B_i到M的距离、/>是A_i到N的距离、/>是B_i到N的距离，其中O″O是接收电极距MN中点O″到O的距离，AO为发射电极A到O的距离，/>是发射电极A和B位于A_i和B_i位置点的发射电流，/>是与/>对应的观测电压；

探测结束后，将实测数据中的误差记录作为异常解释的判别标准；

满足下式(3)则将实测数据解释为异常：

Mean±S.D.表示平均数±标准差，A_iM、B_iM、A_iN和B_iN采用公式(2b)中的定义。

2.如权利要求1所述的井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法，其特征在于，所述A₁和B₁位置点，A₂和B₂位置点，...，A_i和B_i位置点...，A_n和B_n位置点之间的间隔越小，探测的分辨率越高；发射电极A和B从A₁和B₁位置点处沿巷道底板中线以分辨率要求的间隔向掘进面方向移动，电流场透入掘进面前方的深度由浅到深。

3.如权利要求1所述的井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法，其特征在于，当掘进面前方最大探测距离范围内无异常体时，由于电极布置的对称性导致电流场的对称性，接收电极M和N观测到的是噪声电平；而当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体时，电流场失去对称性，当接收电极观测到3～5倍噪声电平的电压信号，即可判定掘进面前方存在异常体。

4.如权利要求1所述的井下直流轴向偶极动源异常自显式超前探测方法，其特征在于，当掘进面前方最大探测距离范围内存在异常体，但电流场尚未接触到该异常体，接收电极M和N观测到的是噪声电平；随着发射电极A和B向掘进面方向移动，电流场与异常体接触并被扰动，当扰动传递到掘进面上时，接收电极观测到3～5倍噪声电平的电压信号，即可判定异常体的存在。